核聚變是一種為恒星提供能量的過(guò)程，由于這種能量產(chǎn)生方式低污染、低輻射，科學(xué)家們一直在努力尋求開發(fā)實(shí)用核聚變，為解決未來(lái)地球能量供應(yīng)問(wèn)題提供方案。

最新的好消息來(lái)自歐洲。2月9日，總部位于英國(guó)的歐洲聯(lián)合環(huán)形（JET）實(shí)驗(yàn)室將兩種形式的氫擠壓在一起，在5秒內(nèi)產(chǎn)生了59兆焦（相當(dāng)于11兆瓦功率）的能量，打破了1997年該實(shí)驗(yàn)室自己創(chuàng)造的世界紀(jì)錄，提取的能量相當(dāng)于25年前的兩倍多，當(dāng)時(shí)產(chǎn)生的能量為21.7兆焦。

5秒維持等離子體穩(wěn)定

“實(shí)驗(yàn)使我們離聚變更近一步。”JET反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)室運(yùn)營(yíng)負(fù)責(zé)人喬·米爾內(nèi)斯（Joe Milnes）博士表示，“我們已經(jīng)證明，可以在我們的機(jī)器內(nèi)部創(chuàng)建一個(gè)迷你恒星，將其保持5秒鐘并獲得高能量，這將我們帶入了一個(gè)新領(lǐng)域。”

盡管59兆焦的能量并不是一個(gè)巨大的能量輸出，基本只夠煮大約60個(gè)水壺的水，但這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的突破驗(yàn)證了正在法國(guó)建造的一個(gè)更大的聚變反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的可行性。

“這是一個(gè)驚人的結(jié)果，具有里程碑的意義，實(shí)現(xiàn)了歷史上聚變反應(yīng)產(chǎn)生的最大能量輸出。”核聚變專家亞瑟·特瑞爾（Arthur Turrell）博士評(píng)論道，“他們證明了5秒內(nèi)等離子體的穩(wěn)定性，雖然這聽(tīng)起來(lái)不是很長(zhǎng)，但在核時(shí)間尺度上，這確實(shí)是一個(gè)非常非常長(zhǎng)的時(shí)間。而從5秒到5分鐘，再到5小時(shí)甚至更長(zhǎng)時(shí)間，要容易得多。”

正在法國(guó)南部建造的核聚變ITER設(shè)施得到了包括歐盟成員國(guó)、美國(guó)、中國(guó)和俄羅斯在內(nèi)的政府資金支持。ITER項(xiàng)目預(yù)計(jì)這將是證明核聚變能在本世紀(jì)下半葉成為可靠能源供應(yīng)的最終一步。

“我們剛剛完成的實(shí)驗(yàn)必須成功，因?yàn)槿绻怀晒?，我們就?huì)擔(dān)心ITER是否能夠?qū)崿F(xiàn)它的目標(biāo)。”JET實(shí)驗(yàn)室首席執(zhí)行官伊恩·查普曼（Ian Chapman）教授表示。

聚變的工作原理是，可以通過(guò)將原子核強(qiáng)制擠壓在一起產(chǎn)生能量，而不是分裂它們來(lái)釋放能量。在太陽(yáng)核心，巨大的引力壓力使得聚變能夠發(fā)生在大約1000萬(wàn)攝氏度的溫度下；而在地球上壓力要低得多，產(chǎn)生聚變的溫度需要超過(guò)1億攝氏度。

由于不存在可以承受如此高溫的直接接觸的材料，為了在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)聚變，科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了一種解決方案，將過(guò)熱氣體或等離子體保持在環(huán)形磁場(chǎng)內(nèi)。

JET實(shí)驗(yàn)室位于牛津郡庫(kù)勒姆，這是一個(gè)規(guī)模較小的環(huán)形項(xiàng)目，已經(jīng)開展了近40年的研發(fā)工作，內(nèi)部使用銅電磁鐵。在過(guò)去的10年中，JET被當(dāng)作ITER設(shè)施復(fù)制的原型，JET將于2023年退役。

實(shí)現(xiàn)可控核聚變目標(biāo)

ITER的規(guī)模更大，環(huán)形容器體積將是JET的10倍，并將使用內(nèi)部冷卻的超導(dǎo)磁體。ITER將在2025年之后開始等離子體實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)室用于制造等離子體的首選“燃料”將是氫的兩種形式氘和氚。

海水中蘊(yùn)藏著大約40萬(wàn)億噸氘，一升水能夠提煉0.03g的氘，其發(fā)生聚變反應(yīng)釋放的能量相當(dāng)于燃燒300升汽油或者燃燒336公斤煤。按這樣計(jì)算，地球上的海水可以供人類使用上億年。

但聚變何時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化仍然存在巨大的不確定性。一項(xiàng)估計(jì)表明，這一時(shí)間可能需要20年，而擴(kuò)大規(guī)模需要再延遲幾十年。

中國(guó)科學(xué)院院士、中科院上海天文臺(tái)名譽(yù)臺(tái)長(zhǎng)葉叔華去年曾告訴第一財(cái)經(jīng)記者：“地球能源從根本上來(lái)自太陽(yáng)，而恒星的能源則來(lái)自核聚變?？煽睾司圩兪强茖W(xué)家和全社會(huì)數(shù)十年來(lái)追求的目標(biāo)，而多國(guó)共同參與的ITER項(xiàng)目，有望在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破。”

中國(guó)也是ITER的重要參與者，擁有話語(yǔ)權(quán)，主要工作由中科院合肥研究院等離子體物理研究所參與，負(fù)責(zé)多個(gè)項(xiàng)目的建造，包括承擔(dān)建設(shè)聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施(CRAFT)。

“雖然ITER是一個(gè)主要由歐盟主導(dǎo)的項(xiàng)目，但中國(guó)在其中的影響力也不容忽視。”一位項(xiàng)目參與人士對(duì)第一財(cái)經(jīng)記者表示，“ITER的整體進(jìn)度取決于每個(gè)參與國(guó)的進(jìn)度，各自都承擔(dān)了不同的工作和部件，如果一個(gè)項(xiàng)目延遲，那么整體進(jìn)程就會(huì)被拖延。中國(guó)將盡力確保自己的工作能保質(zhì)保量地完成。”

中科院等離子體物理研究所所長(zhǎng)宋云濤研究員去年9月在一場(chǎng)“碳達(dá)峰碳中和科技論壇”上曾透露，已經(jīng)開始做未來(lái)核聚變發(fā)電站工程設(shè)計(jì)。“聚變能是核能發(fā)展的最終目標(biāo)，聚變能可以為碳中和的實(shí)現(xiàn)做出重大貢獻(xiàn)。”宋云濤表示。

中國(guó)獨(dú)立自主創(chuàng)新、協(xié)同攻關(guān)建設(shè)的大科學(xué)裝置“人造太陽(yáng)”EAST(全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置)已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行15年，這也是世界上首個(gè)全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置又稱為“東方超環(huán)”。

在我國(guó)，建設(shè)核聚變電站成本很高，其中超導(dǎo)磁體占了約40%的成本。但隨著我國(guó)越來(lái)越多地使用自主研發(fā)的超導(dǎo)材料和零部件，未來(lái)超導(dǎo)磁體的成本也有望下降。中國(guó)有望在2060年前建成核聚變電站并廣泛應(yīng)用。

標(biāo)簽： 核聚變 等離子體 人造太陽(yáng) 能源